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Vom Sand zum Chip: wie entsteht ein moderner Halbleiter?
Lesezeit: ca. 10min
1) EINFÜHRUNG
Seit spätestens 2023 und dem rasanten Aufstieg von Nvidia $NVDA (-0,62 %) sind Halbleiter und insbesondere "KI-Chips" in aller Munde. Seitdem rennen die Anleger fast jedem Unternehmen hinterher, dass etwas mit der Herstellung von Chips zu tun hat, und treiben die Kurse in ungeahnte Höhen. Kaum ein Anleger weiß jedoch wirklich wie komplex die Wertschöpfungskette innerhalb der Herstellung moderner Chips ist.
In diesem Beitrag werde ich euch einen Überblick über den gesamten Herstellungsprozess und der daran beteiligten Unternehmen geben. Auch wenn viele von euch eine vage Vorstellung haben, dass die Herstellung moderner Chips komplex ist, werdet ihr sicherlich überrascht sein wie komplex es wirklich in der Realität ist.
2) GRUNDLEGENDES
Ausgangsbasis für jeden Chip sind sogenannte Wafer [1] - also dünne Scheiben, die meistens aus sogenanntem hochreinen monokristallinen Silizium bestehen. Im Bereich der Leistungshalbleiter, der vor allem Chips für Anwendungen mit höheren Strömen und Spannungen umfasst, wird neuerdings als Basis auch Siliziumkarbit (SiC) oder Galiumnitrid (GaN) als Grundmaterial für die Wafer verwendet.
Im sogenannten Frontend werden dann auf den Wafern mithilfe verschiedener Verfahren die eigentlichen Herzstücke der Chips - die sogenannten Dies - erzeugt und aufgebracht. Die Dies sind rechteckige Strukturen, welche die eigentliche Funktionalität des späteren Chips enthalten. Die fertigen Dies werden dann auf ihre Funktionalität und elektrischen Eigenschaften getestet. Jeder für gut befundene Die wird dann im sogenannten Backend zum fertigen Chip in dem die einzelnen Dies auf dem Wafer vereinzelt werden. Danach erfolgt das sogenannte packaging. Die einzelnen Dies aus dem Frontend werden dann elektrisch kontaktiert und in ein schützendes Gehäuse integriert. Dieses Gehäuse mit dem kontaktiertem Die ist am Ende das, was in der Regel als Chip bezeichnet wird.
Nachdem wir jetzt einen groben Überblick über den Gesamtprozess haben, widmen wir uns detailliert den einzelnen Prozessen zur Herstellung der Dies auf dem Wafer. Dies ist der Bereich in denen die meisten hochkomplexen Maschinen zum Einsatz kommen und der in der Regel am empfindlichsten ist.
3) VOM SAND ZUM WAFER
Bevor es überhaupt Wafer aus hochreinem Silizium gibt und der eigentliche Prozess zur Herstellung der Dies starten kann, muss zunächst der eigentliche Wafer in nahezu perfekter Qualität hergestellt werden. Dazu wird Quarzsand, welcher zum Großteil aus Siliziumdioxid besteht, unter hohen Temperaturen mit Kohlenstoff reduziert. Dabei entsteht sogenanntes Roh-Silizium, welches mit einer Reinheit von etwa 96% aber noch nicht annähernd die Qualität hat, die für die Herstellung von Wafern benötigt wird.
In mehreren chemischen Prozessen, die beispielsweise von Wacker Chemie
$WCH (+2,81 %) oder Siltronic
$WAF (+5,59 %) bedient werden, wird aus dem "unsauberen" Silizium sogenanntes polykristallines Silizium mit einer Reinheit von 99.9999999%. Auf eine Milliarde Siliziumatome befindet sich dann nur noch ein Fremdatom im Silizium. Dieses reine polykristalline Silzium ist aber immer noch nicht geeignet für die Herstellung von Wafern, da die Kristallstruktur im Silzium nicht gleichmäßig genug ist. Um die passende Kristallstruktur zu erzeugen wird das polykristalline Silizium dann wieder geschmolzen und im sogenannten Einkristallziehverfahren [2] ein sogenannter Ingot, der aus monokristallinen Silzium besteht, erzeugt. Ein Vergleich zwischen Rohsilzium und dem Ingot findet ihr auf folgendem Bild [3]:
Dieser Ingot wird dann in dünne Scheiben gesägt, welche dann die letztendlichen Wafer für die Halbleiterproduktion sind. Die bekanntesten Waferproduzenten sind Shin Etsu
$4063, (-0,25 %)
Siltronic oder GlobalWafers
$6488.
4) VOM WAFER ZUM DIE
Die im vorherigen Abschnitt beschriebenen Wafer können nun verwendet werden, um Dies herzustellen. Der Gesamtprozess zur Herstellung der Dies besteht prinzipiell darin eine große Anzahl an Schichten durch verschiedene chemische-, mechanische und physikalische Prozesse aufzubringen. Der Gesamtprozess wird (abhängig vom Produkt) ca. 80 verschiedene Schichten auf dem Wafer aufbringen, dafür nahezu 1000 unterschiedliche Prozessschritte und 3 Monate
non-stop-Produktion benötigen [4].
Hier bietet sich eine makroskopische Analogie an, die ich ebenfalls [4] entnommen habe. Man kann den Gesamtprozess zur Herstellung der Dies mit dem Backen einer großen mehrlagigen Torte vergleichen. Diese Torte hat 80 Stockwerke und das Rezept zum backen besteht aus 1000 Schritten. Man benötigt für die Herstellung der Torte 3 Monate und sollte auch nur eine Schicht der Torte eine Abweichung von mehr als 1% von dem Rezept haben, bricht die ganze Torte zusammen und muss entsorgt werden.
In den ersten Prozessschritten werden auf dem Wafer Milliarden winzig kleine Transistoren erzeugt, welche dann in den folgenden Schritten alle einzeln elektrisch kontaktiert werden. Die letzten Schritte bestehen darin, die Transistoren untereinander elektrisch anzuschließen, so dass sich eine komplette elektrische Schaltung ergibt [4]:
Jede einzelne Schicht von den etwa 80 Schichten im Die benötigt hochspezialisierte Prozesse, die sich im Groben zusammenfassen lassen als:
Masken aufbringen
Letztendlich kann man sich unter einer Maske eine vergrößerte Kopie der Struktur einer speziellen Schicht im Die vorstellen. Diese sogenannten Fotomasken werden dann mittels sogenannten Scannern oder Steppern verkleinert auf den Wafer "kopiert". Der bekannteste Hersteller solcher Lithografiesysteme ist ASML
$ASML (-0,59 %). Es ist derzeit der einzige Produzent von Lithografiesystemen, die es ermöglichen Strukturen unter 10 Nanometer auf dem Wafer zu erzeugen. Bei heutigen leistungsstarken und modernen Chips, wie sie in Smartphones, KI-Chips und Prozessoren vorkommen, sind die kleinsten Strukturen etwa 3 Nanometer groß. Weitere Hersteller von Lithografiesystemen für größere Strukturen (10nm und größer) sind Canon Electronics
$7739 oder Nikon $7731 (+0,03 %) .
Die Fotomasken - also die vergrößerten "Kopien" der Strukturen - werden von Unternehmen wie Toppan $7911 (+0,44 %) , Dai Nippon Printing
$7912 (+0,38 %) oder Hoya $7741 (+0,37 %) hergestellt. Systeme zur Reinigung der Fotomasken oder zur Auftragung des Fotolacks werden beispielsweise von Suss Microtec
$SMHN (-0,54 %) hergestellt.
Material aufbringen/entfernen/modifizieren/säubern
Wie bereits weiter oben in der Übersicht ersichtlich, gibt es hier eine Vielzahl an Methoden und Verfahren um das Material einer bestimmten Schicht zu modifizieren. Demzufolge gibt es jede Menge unterschiedliches Equipment welches mit einer unglaublichen Spezialisierung einen Prozess sehr gut beherrscht. Zu den bekanntesten und erfolgreichsten Equipmentherstellern gehört Applied Materials $AMAT (-0,39 %), LAM Research
$LRCX (+0,44 %), Tokyo Electron (TEL)
$8035, (-0,74 %)
Suss Mictrotec, Entegris
$ENTG (+1,23 %) und Axcelis $ACLS (+2,92 %).
Das Material - also beispielsweise hochspezialisierte Chemikalien - wird natürlich ebenfalls zur Herstellung benötigt. Unternehmen wie Linde
$LIN (-0,12 %), Air Liquide
$AI (+1,22 %), Air Products
$APD (-0,34 %) und Nippon Sanso
$4091 (+0,73 %) sind große Hersteller für Prozessgase wie Stickstoff, Wasserstoff oder Argon.
Inspizieren
Wie erwähnt muss jede einzelne Schicht im Herstellungsprozess eines Dies perfekt sein um am Ende einen funktionsfähigen Die zu erhalten. Jede kleine Abweichung oder Fremdpartikel kann die Funktionsfähigkeit des Dies beeinträchtigen. Da die Funktion des Dies erst am fertig prozessiertem Die genau geprüft werden kann, ist es von Vorteil die einzelnen Schichten bereits während der Fertigung auf Defekte und Abweichungen zu untersuchen. Hierfür werden spezielle Maschinen benötigt, die je nach Schicht, Unterschiedliches leisten können müssen. Hersteller solcher Maschinen sind beispielsweise KLA
$KLAC (-0,42 %) oder Onto Innovation
$ONTO (+0,89 %).
Für fast alle im Abschnitt erwähnten Unternehmen gilt: die Unternehmen sind hochspezialisiert und haben bei den Maschinen für gewisse Prozessschritten Quasimonopole. Geeignetes Equipment kostet deshalb meistens mehrere Millionen Dollar. Dazu sind die Anlagen teilweise so komplex, dass sie nur von Servicemitarbeitern der Hersteller selbst gewartet werden können, was bei jeder verkauften Maschine für wiederkehrende Serviceumsätze sorgt. Jede Maschine braucht in der Regel mehrere hochspezialisierte Ingenieure, um eine dauerhaft stabile Funktion zu gewährleisten.
5) VOM DIE ZUM FERTIGEN CHIP
Ist der Wafer fertig prozessiert werden die Dies auf dem Wafer auf ihre Funktionalität überprüft. Dafür gibt es hochspezialisiertes Equipment, sogenannte Prober. Diese Prober testen jeden einzelnen Chip gegebenfalls mehrfach um die im Design implementierte Funktionalität zu überprüfen. Hersteller solcher Prober sind unter anderem Teradyne $TER (+0,73 %), Keysight Technologies
$KEYS (-0,05 %), Onto Innovation oder Tokyo Electron. Diese Prober müssen jedes einzelne Die, dass teilweise nur wenige Quadratmilimeter groß ist ansteuern und die entsprechenden noch viel kleineren Teststrukturen mit winzig kleinen Nadeln kontaktieren. Der Prozess des Testens wird teilweise auch an ganze Unternehmen ausgelagert, die das Testen der Dies als Komplettpaket anbieten. Ein Beispiel für solche Anbieter ist Amkor Technology
$AMKR (+0,8 %).
Der fertig prozessierte und getestete Wafer wird nun zersägt um einzelne Dies zu erhalten. Die für gut befundenen Dies werden dann im Backend in ein schützendes Gehäuse integriert. Die Dies, welche den Test auf Funktionalität nicht bestanden haben, werden entweder aussortiert oder (je nach Fehlerbild) als Variante mit abgespeckter Funktionalität ähnlich zu denen mit voller Funktionalität verarbeitet. Nach einem letzten Funktionstest im Package ist der Chip bereit für den Einsatz.
6) FOUNDRIES, FABLESS & SOFTWARE
Da wir nun einen Überblick über den komplexen Prozess der Herstellung eines Chips haben, möchten wir nun etwas weiter rauszoomen um zu verstehen welche Unternehmen welche Aufgabe in der Halbleiterindustrie übernehmen.
Komisch, dass im Prozess der Herstellung bis jetzt nicht ein einziges Mal der Name Nvidia $NVDA (-0,62 %) oder Apple $AAPL (-0,52 %) gefallen ist? Dabei haben gerade die doch die fortschrittlichsten Chips oder?
Die reine Herstellung der Chips übernehmen bei genannten Unternehmen nämlich andere Unternehmen - sogenannte Foundries. Unternehmen wie Nvidia und selbst AMD $AMD (+1,35 %) sind nämlich fabless, das heißt sie besitzen gar keine eigene Fertigung sondern liefern lediglich das Design der Chips und lassen die Foundries den eigentlichen Chip nach ihrem Design fertigen.
Das Design eines Chips ist wie der Bauplan für die Fertigung - die Foundries übernehmen dann die Rezepterstellung und die eigentliche Fertigung. Für das Design von Chips gibt es spezielle Software. Bekannt für diese Software sind Unternehmen wie Cadance Design
$CDNS (-0,17 %) und Synopsys $SNPS (+0,09 %). Aber auch der Industriegigant Siemens
$SIE (+1,63 %) liefert mittlerweile Software zum Design integrierter Schaltkreise. Synopsys bietet darüber hinaus auch andere Software zur Datenanalyse innerhalb der Fertigung in Foundries.
Apropos Foundries; die bekannteste Foundry ist wahrscheinlich TSMC
$TSM, (+2,24 %) die weltweit Marktführer im Bereich Foundries sind. TSMC designed selbst keine Chips und hat sich ausschließlich auf die Fertigung der fortschrittlichsten Generationen an Chips spezialisiert. Ein weiterer großer Player, der ebenfalls die fortschrittlichsten Strukturgrößen beherrscht, ist Samsung $005930. Im Gegensatz zu TSMC fertigt Samsung aber auch eigene Designs. Weitere große Foundries sind Global Foundries
$GFS, (+1,33 %) welches ursprünglich eine Abspaltung von AMD ist, und das taiwanesische Unternehmen United Micro Electronics
$UMC. (-3,27 %)
Die bekanntesten fabless-Unternehmen - also Unternehmen ohne eigene Chipfertigung - sind Nvidia, Apple, AMD, ARM Holdings
$ARM, (+0,71 %)
Broadcom $AVGO (+0,92 %), MediaTek $2454 und Qualcomm $QCOM. (-0,21 %) Mittlerweile haben aber auch Alphabet $GOOGL, (+0,11 %)
Microsoft $MSFT, (-0,25 %)
Amazon $AMZN (+0,17 %) und Meta $META (+2,09 %) eigene Chips für gewisse Funktionalitäten designed und lassen diese dann in Foundries fertigen.
Neben den Foundries und fabless-Unternehmen gibt es natürlich auch Hybride Modelle, das heißt Unternehmen, welche sowohl die Fertigung als auch Design übernehmen. Bekanntestes Beispiel hierfür sind natürlich Unternehmen wie Intel
$INTC (-0,53 %) und Samsung. Dazu gibt es noch eine ganze Reihe sogenannter Integrated Device Manufacturer (IDM), welche größtenteils einzig ihre selbst designten Chips herstellen und keine Kundenaufträge zur Fertigung entgegennehmen. Bekannte Unternehmen wie Texas Instruments
$TXN, (+0,86 %)
SK Hynix
$000660,
STMicroelectronics
$STMPA, (+10,22 %)
NXP Semiconductors
$NXPI, (+4,71 %)
Infineon $IFX (+4,23 %) und Renesas $6723 (+4,67 %) zählen zu den IDM's.
SCHLUSSWORT
Ziel dieses Beitrags war es einen Überblick über die Komplexität der Halbleiterindustrie zu geben. Ich erhebe natürlich keinen Anspruch auf Vollständigkeit, da es natürlich noch jede Menge weitere Unternehmen gibt, die sich in dieser Wertschöpfungskette wiederfinden. Da Getquin von einem aktiven Austausch lebt, gebe ich euch noch ein paar Denkanstöße zum diskutieren in den Kommentaren unter dem Beitrag:
Generell kann ich jedem interessierten Leser das etwa 20 minütige YouTube-Video unter [4] empfehlen. Es liefert einen hervorragenden animierten Überblick über den Herstellungsprozess moderner Chips.
Stay tuned,
Euer Nico Uhlig (aka RealMichaelScott)
QUELLEN:
[1] Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Wafer
[2] https://www.halbleiter.org/waferherstellung/einkristall/
[3] https://solarmuseum.org/wp-content/uploads/2019/05/solarmuseum_org-07917.jpg
[4] Branch Education auf YouTube: "How are Microchips Made?" https://youtu.be/dX9CGRZwD-w?si=xeV0TYgJ2iwNOKyO
Nvidia: das Gehirn hinter dem KI Zyklus
Quartals Vorstellung: Nvidia
$NVDA (-0,62 %) , mit Sitz in Kalifornien, ist ein führendes Technologieunternehmen, das sich auf die Entwicklung von Grafikprozessoren (GPUs) und spezialisierten Chips für unterschiedlichste Industrien fokussiert. Seit der Gründung im Jahr 1993 durch Jensen Huang, Chris Malachowsky und Curtis Priem hat sich Nvidia zu einem Pionier im Bereich des visuellen und KI-gestützten Computings entwickelt.
Historische Entwicklung
Ursprünglich auf Grafiklösungen für die Gaming-Industrie ausgerichtet, präsentierte Nvidia mit dem NV1 seinen ersten bedeutenden Multimedia-Beschleuniger für PCs und Spielekonsolen. Der große Durchbruch gelang jedoch 1999 mit der Einführung der GeForce 256, die als die erste GPU der Welt gilt und den Grundstein für Nvidias Vormachtstellung legte. In den 2000er Jahren erweiterte Nvidia sein Portfolio entscheidend um Anwendungen für Künstliche Intelligenz und Deep Learning, vor allem durch die Einführung der CUDA-Plattform, die Entwicklern die Nutzung von GPUs für allgemeine Rechenaufgaben ermöglicht. Diese strategische Neuausrichtung half Nvidia, eine Schlüsselrolle in der KI-Revolution zu übernehmen.
Geschäftsmodell
Nvidias Geschäftsmodell folgt einer Plattformstrategie, die Hardware und Software nahtlos integriert, um umfassende Lösungen anzubieten. Der Großteil der Umsätze stammt aus dem Verkauf von GPUs, die etwa 87% der Einnahmen ausmachen. Nvidia bedient ein breites Spektrum an Märkten, darunter Gaming, professionelle Visualisierung, Rechenzentren und die Automobilindustrie. Durch die einheitliche Architektur seiner Produkte kann Nvidia effizient in Forschung und Entwicklung investieren und so mehrere Milliardenmärkte mit derselben Technologie abdecken.
Kernkompetenzen
Die zentralen Stärken von Nvidia liegen in der Entwicklung hochmoderner Grafiklösungen und der Integration von KI-Technologien. Die GPUs des Unternehmens sind essenziell für Anwendungen in den Bereichen Gaming, Künstliche Intelligenz, autonomes Fahren und professionelle Visualisierung. Die CUDA-Plattform und die flexible, programmierbare Architektur der GPUs ermöglichen die Entwicklung vielseitiger Softwarelösungen, die in zahlreichen Branchen eingesetzt werden können.
Zukunftsperspektiven und strategische Initiativen
Um seine Marktführerschaft weiter auszubauen, verfolgt Nvidia mehrere strategische Initiativen:
- Erweiterung der "Accelerated Computing"-Plattform: Nvidia strebt danach, komplexe Berechnungen schneller und effizienter zu bewältigen, indem es die traditionellen Grenzen von Moore’s Law durchbricht.
- Führerschaft im Bereich KI und Visual Computing: Nvidia plant, seine Vorreiterrolle durch die Bereitstellung modernster Technologien wie GPUs und CUDA weiter zu festigen.
- Autonomes Fahren: Mit der Marke "DRIVE" investiert Nvidia intensiv in die Entwicklung von Hard- und Softwarelösungen für autonome Fahrzeuge.
- Nutzung des geistigen Eigentums: Nvidia strebt an, seine Marke zu lizenzieren und durch Entwicklungsverträge seine Marktpräsenz zu erweitern.
Diese Initiativen verdeutlichen Nvidias Bestreben, seine Position in der Technologiebranche durch kontinuierliche Innovation und strategische Partnerschaften weiter zu stärken.
Aktuelle Performance der Nvidia-Aktie
Auf Jahressicht konnte die Nvidia-Aktie beeindruckende 147 % zulegen, angetrieben durch den boomenden KI-Trend und die wachsende Nachfrage nach GPUs für den Cloud-Sektor. Seit dem Börsengang am 22. Januar 1999 verzeichnete die Aktie einen außergewöhnlichen Wertzuwachs von 320.901,68 %. Besonders bemerkenswert ist die Entwicklung der letzten zwei Jahre, in denen die Aktie um 573,87 % gestiegen ist, was sie zu einer der besten Investitionen der letzten Zeit macht.
Der KI-GPU-Trend
Obwohl der aktuelle Hype um KI-GPUs vielleicht nicht genau so vorhersehbar war, ist es keineswegs Zufall, dass Nvidia erneut an der Spitze steht. Das Unternehmen hat über die Jahre hinweg immer wieder die richtigen Trends aufgegriffen und seine Technologien konsequent weiterentwickelt. Das derzeitige Produktportfolio ist in vielerlei Hinsicht konkurrenzlos und bietet einen derartigen Mehrwert, dass Nvidia inzwischen bessere Margen erzielt als manche reine Softwareunternehmen. Bis jetzt hat Nvidia strategisch alles richtig gemacht und seine Position als Marktführer in einem schnell wachsenden und zukunftsweisenden Segment gefestigt.
Die aktuellen Zahlen
Die neuesten Geschäftszahlen zeigen solide Ergebnisse, die jedoch hinter den hohen Markterwartungen zurückbleiben. Hier eine kurze Übersicht:
Obwohl diese Zahlen beeindruckend sind, scheinen sie für die aktuelle Bewertung des Unternehmens nicht ausreichend zu sein. Der Markt hatte beispielsweise beim Umsatz die 31-Milliarden-Marke schon erwartet. Es wird zunehmend schwieriger, sowohl im Quartals- als auch im Jahresvergleich die bisherigen Wachstumsraten aufrechtzuerhalten, was das Potenzial für zukünftige Kurssprünge einschränken könnte.
(Bild 1&2 )
Risiken und Chancen
Auch wenn sich das Unternehmen optimistisch zeigt, gibt es dennoch einige Herausforderungen, die nicht ignoriert werden sollten:
Nvidia steht also vor der Herausforderung, seine aktuelle Marktposition zu sichern und gleichzeitig auf externe und interne Risiken angemessen zu reagieren. Dennoch bietet das Unternehmen durch seine Innovationskraft und Marktführerschaft weiterhin enorme Chancen, auch in Zukunft eine zentrale Rolle in der Tech-Branche zu spielen.
Die Konkurrenz
Die Konkurrenzsituation stellt sich derzeit relativ entspannt für Nvidia dar. Die Mitbewerber der ersten Klasse hinken technisch weit hinterher und stellen aktuell keine ernsthafte Bedrohung dar. Konkurrenten der zweiten Klasse befinden sich in einer schwierigen Position zwischen dem Versuch aufzuholen und der Überlegung, sich aus dem Rennen zurückzuziehen und auf die eigenen Prozessoren zurückzugreifen.
Ein Blick auf die Hauptkonkurrenten zeigt klar: Nvidia bleibt das dominierende Unternehmen in seinem Segment und das beste Investment in diesem Bereich. Die überlegene Technologie, starke Marktposition und konsequente Innovationskraft machen es den Wettbewerbern äußerst schwer, aufzuschließen.
(Rest Bilder)
$AMD (+1,35 %)
$QCOM (-0,21 %)
$ARM (+0,71 %)
$INTC (-0,53 %)
$2454
$GOOGL (+0,11 %)
$AMZN (+0,17 %)
+ 3
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